冷却装置
【課題】
小型機器中で性能向上または維持の核となる小型ＣＰＵ，ＡＳＩＣなどの比較的駆動電力の高い半導体集積回路のコア又はパッケージに例えばアルミ板や銅板などの高い熱伝導率を有する伝熱用金属板を介して、赤外領域での高い放射率を有する固体アルミナ材料を接触させ、熱エネルギーを赤外光に変換して放出する放射冷却を利用した冷却装置を提供する。
【解決手段】
半導体集積回路のコア又はパッケージの表面に載置する伝熱用金属板と、前記伝熱用金属板に更に載置する放射冷却用の放射率０．８以上のアルミナ材を主成分とするアルミナ板とから構成される冷却装置であり、前記伝熱板の面積及び前記アルミナ板の面積が、前記コア又はパッケージの表面の面積よりも大きいことを特徴とする半導体集積回路の冷却装置を提供する。
小型機器中で性能向上または維持の核となる小型ＣＰＵ，ＡＳＩＣなどの比較的駆動電力の高い半導体集積回路のコア又はパッケージに例えばアルミ板や銅板などの高い熱伝導率を有する伝熱用金属板を介して、赤外領域での高い放射率を有する固体アルミナ材料を接触させ、熱エネルギーを赤外光に変換して放出する放射冷却を利用した冷却装置を提供する。
【解決手段】
半導体集積回路のコア又はパッケージの表面に載置する伝熱用金属板と、前記伝熱用金属板に更に載置する放射冷却用の放射率０．８以上のアルミナ材を主成分とするアルミナ板とから構成される冷却装置であり、前記伝熱板の面積及び前記アルミナ板の面積が、前記コア又はパッケージの表面の面積よりも大きいことを特徴とする半導体集積回路の冷却装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミナ材料を用いた冷却板、及び冷却方法、特に効率の良い放射冷却の期待できる高効率の放射率を有するアルミナ材料を用いた冷却装置に関する。さらに詳しく言えば、本発明は近年、小型化、多機能、高速化の進歩と普及の著しい、ノートパソコン、ネットブック、パーソナルデジタルアシスタント（PDA）、高機能携帯電話（スマートフォン）などの個人向け携帯機器など、薄型の小型機器の本体内の密閉空間において高集積回路を駆動した時の発熱を好適に外部へ放出しえる冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、屋外を含めた無線ローカルエリアネットワーク（無線LAN）を始めとする各種通信インフラの急激な普及が、ノートパソコンやネットブックなどの携帯型コンピュータ、PDA、スマートフォン等の個人向け携帯機器の需要を喚起しており、製品の差別化の要求から多機能型、高速型の小型電子機器の需要が増加している。これまで、これらの機器の多機能化、高速化は、半導体集積回路の微細加工技術の進展に合わせて実現されてきたが、近年、物理的限界により微細加工技術の発展が鈍化しており、これを解決するために集積化回路チップを積層化する技術の導入が検討されている。
【０００３】
ところが積層構造のような高密度実装においては、微小面積に対して発熱が集中して、内部温度が上昇するため集積回路駆動時のエラーが発生しやすい。また、これとは別のアプローチとして、パーソナルコンピュータ用CPUを低消費電力化し、携帯端末へ適用する検討も進められているが、もともと発熱の多いCPUをベースとしているため、消費電力の制約から本来の機能を引き出せずにいるのが現状である。さらには、このＣＰＵをベースに積層構造の集積回路を適用したCPUの開発も検討されている。このようななか、冷却効率のよい小型冷却装置の要求が強くなっているがこの要求を充分に満足するものがない。一般に、個人向け携帯機器の性能向上の核となる、CPUやASIC、FPGAなどの半導体集積回路においては、従来の比較的大型の据え置き型ノートパソコンの仕様から推測すると、高機能化・高速化が可能な小型CPUやASIC、FPGAの駆動電力は〜２０W程度が予想される。ところが、現状の携帯機器の性能維持の核となる、小型CPUやASIC、FPGAなどの半導体集積回路の駆動電力は２W〜４W程度を用いているのが現状である。かかる現状の原因は携帯機器が内蔵する電池の容量が不足していることのみならず、発熱の問題も主な原因の１つと考えられる。なぜなら、一般に半導体集積回路の駆動時に、半導体集積回路の温度がおおよそ９０℃以上に上昇すると、絶縁膜内にリーク電流が発生し、エラーを誘発するからである（下記引用文献参照）。
【０００４】
Y. Kurita, et al. “A 3D Stacked Memory
Integrated on a Logic Device Using SMAFTI
Technology” Electronic Components and Technology
Conference, pp821-829, 2007.
【０００５】
このような状況に至った理由としては、従来の冷却法が、原理的に大きな熱媒体を必要とするフィン型ヒートシンクや、基板を介した熱伝導に依存しており、個人向け携帯機器のサイズにかなう手法があまり検討されていなかったことによる。この問題を解決するために、半導体集積回路や端子ピッチが異なる集積回路チップとメイン基板の間で中継するためのインターポーザーに冷却機構としてマイクロ流路を設ける開発が進められているが（下記引用文献参照）、これらの流路形成には微細加工技術を用いており、製造工程増とコスト高を伴う可能性が高く、個人向け携帯端末よりもハイエンド品への適用が適した解と言える。
【０００６】
J. U. Knickerbocker, et al. “System-on-Package
(SOP) Technology, Characterization and Applications”Electronic
Components and Technology Conference, pp415-421, 2006.
Calvin. R. King, Jr., et al. “3D Stacking of
Chips with Electrical and Microfluidic I/O Interconnects” Electronic Components and Technology Conference, pp1-7, 2008.
M. Yu, et al. “Fabrication of Silicon Carriers with TSV Electrical Interconnections
and Embedded Thermal Solutions for High Power 3-D Package” Electronic Components and Technology Conference, pp24-28, 2008.
M. Sunohara, et al. “Silicon Interposer with
TSVs(Through Silicon Vias) and Fine Multilayer Wireing”
Electronic Components and Technology Conference, pp847-852, 2008.
【０００７】
特許文献１では、アルミナの含有率が９５重量％以上で好ましくは９７重量％乃至９８重量パーセントであり、熱放射率が０．９３乃至０．９８で３０〜６０W/m・Kの熱伝導率を有する20(mm;幅)×40(mm;長さ)×6(mm;厚み)の形状の陶磁器熱放射性固体物を、表面(上面)温度を９８〜１００℃に設定した発熱体（20(mm;幅)×40(mm;長さ)×3(mm;厚み)の形状のマイカヒーター）の上面に密着させたところ、１０分後には６７℃に低下してその温度を維持した旨が開示されている（００１６段落、００２０段落及び表３）。
【０００８】
又特許文献２では、ノート型パーソナルコンピュータやフラットパネルディスプレイなどの薄型又は小型の電子機器に好適であって放熱を効率よく行なえる熱放射膜、熱放射構造体、熱放射性部材、及び熱放射性機器を提供することを課題とし、電子機器の筐体（基材）２０の表面上に、アルミニウム層２１とＳｉＯ0.98層２２ａ／ＳｉＯ1.20層２２ｂ／ＳｉＯ1.70層２２ｃの４層の膜をコーティングして、光反射性のアルミニウム層２１上に３層の積層膜からなる波長選択放射膜２２を形成した熱放射構造体２３、及びこの熱放射構造体２３を外表面に設けた電子機器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２９８７０３号公報
【特許文献２】特開２００５−１４４９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１では、アルミナの含有率が好ましくは９７重量％乃至９８重量パーセントの陶磁器熱放射性固体物が冷却用に好適であることは示されているが、どの位の発熱量の半導体に用いることができるかについては何ら示されていない。
【００１１】
又、特許文献２（特開２００５−１４４９８５号公報）では、酸化珪素、チッカ珪素とポリビニルクロライド又はポリビニルフルオライドによって構成される熱放射膜による放射冷却法を提案しているが、たとえ放射率が０．７〜０．９と高い値でも、熱放熱膜を用いているため、熱源との固定において空隙の発生による熱抵抗の増加や、接着材自身の熱抵抗追加が予想され、本件の課題である個人向け携帯機器への利用、性能向上にかなっているかは明確ではない。
【００１２】
先に述べたように、個人向け携帯機器に利用される半導体集積回路の駆動電力は、いまのところ２〜４Ｗ程度であり、たとえこれ以上に駆動電力が高く動作するように設計されていても、駆動電力を下げ性能を制限する手法に依存しているのが現状である。一般に、半導体集積回路では、高速化は駆動電力に依存しており、最大２０Ｗ程度の駆動電力を投入できれば概ね多機能高速化に対応できる。個人向け携帯機器に利用できる冷却装置の最大面積は概ね１００ｍｍ×１００ｍｍ程度であり平板であることが有利である。この平板で２０Ｗ／１００００ｍｍ２の熱エネルギー放出能力を有する放熱機構を提供することにより、半導体集積回路のエラーを誘発する一般的温度である９０℃よりも低い温度に保つ装置を提供することを課題とする。
【００１３】
また、放射冷却は無電源の冷却機構であることから、従来２０Ｗ程度の駆動電力の半導体集積には、この出力の1/１０程度の空冷用ファンを搭載することが一般的であるので1/１０程度の省電力を可能とする（インテル Ｄ９４５ＧＣＬＦ２基板搭載ファンを参考にした）。本発明では、小型機器中で性能向上または維持の核となる小型ＣＰＵ，ＡＳＩＣなどの比較的駆動電力の高い半導体集積回路に例えばアルミ板や銅板などの高い熱伝導率を有する伝熱用金属板を介して、赤外領域での高い放射率を有する固体アルミナ材料を接触させ、熱エネルギーを赤外光に変換して放出する放射冷却を利用した冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者が鋭意検討した結果、個人携帯機器中の半導体集積回路の駆動によって発生した熱を効率よく外部へ放熱するには、小型携帯性と効率の良い放熱特性の両件を満たす手法が必要である。これには、平板構造でよりよく熱を放熱できる、高放射率を有するアルミナ材を直接半導体集積回路パッケージ表面に接触させて、熱をアルミナ材平板に熱伝導により移動させ、これらを赤外光に変換させて放射する放射冷却を用いればよいと考え本発明に至った。すなわち、上記課題を解決するために本発明の冷却装置は、半導体集積回路のコア又はパッケージの表面に載置する伝熱用金属板と、前記伝熱用金属板に更に載置する放射冷却用の放射率０．８以上のアルミナ材を主成分とするアルミナ板とから構成される冷却装置であり、前記伝熱板の面積及び前記アルミナ板の面積が、前記コア又はパッケージの表面の面積よりも大きいことを特徴とする。好ましくは前記セラミック板を前記コア又はパッケージ表面に載置した状態で前記アルミナ板に８５ｋｇｆ／ｍ２以上の荷重を加えて使用する
【発明の効果】
【００１５】
高さ方向に嵩張る冷却フィンや駆動電力を必要とする冷却ファンを必要とせず、ＣＰＵ等の発熱量の多い半導体デバイスを熱放射により効率的に冷却可能な薄型で、小型高効率の冷却装置を提供することができる。特に樹脂や金属性の筺体に密閉されている小型電子機器の半導体デバイスの冷却に好適な小型高効率の冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の冷却装置の概念図である。
【図２】本発明実験に用いたアルミナ（西村陶業製Ｎ−９Ｈ）の放射率を求めた際のデータを示す図である。
【図３】本発明の冷却板の特性調査に用いた装置を示す概念図である。
【図４】アルミナ平板と銅平板の表面温度の時間変化を示す図である。
【図５】それぞれ寸法の異なるアルミナ平板Ａ，Ｂ，Ｃにおける飽和温度８０℃に至る温度特性を示す図である。
【図６】飽和温度８０℃の場合における熱放射エネルギーとアルミナ平板ヒートシンク面積との関係を示す図である。
【図７】それぞれ面積の異なるアルミナヒートシンクにおける荷重と熱放射エネルギーとの関係（飽和温度８０℃）を示す図である。
【図８】アルミナ板厚と放熱可能なエネルギーとの関係（飽和温度８０℃）を示す図である。
【図９】図７におけるＢのアルミナ平板ヒートシンクを用いた場合の表面温度の比較（飽和温度８０℃）を示す図である。
【図１０】図７におけるＢのアルミナ平板ヒートシンクと同じサイズの金属板をヒータとの間に挟んだ場合の表面温度の比較（飽和温度８０℃）を示す図である。
【図１１】図１０のアルミナ平板＋金属板＋ヒータと図９のアルミナ平板＋ヒータの放熱エネルギーとアルミナ平板面積依存性の比較する図である。
【図１２】実施例１〜４の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。
【図１３】実施例５〜７の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。
【図１４】実施例８〜１０の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。
【図１５】実施例１１〜１３の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。
【図１６】実施例１４の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係る冷却板、及び冷却方法の好適な実施形態について詳細に説明する。図１に、本発明の原理を示す簡単な構成図を示す。図１は半導体集積回路及びパッケージ１２に冷却用のアルミナ材平板１１とを重ねて載置したものであり、半導体集積回路のコア又はパッケージ１２からアルミナ材平板１１へは熱伝導で熱が移動し、アルミナ材平板１１から外部空間へは赤外放射により放射冷却によって熱が移動する。一般にセラミックであるアルミナ、ジルコン、窒化アルミナ、などは放射率が高いことが知られているが、特にアルミナは、安価で且つ高純度化が容易で放射率を高くすることが容易であり、且つ他のセラミックに比べて強度があるため、厚みを薄くすることが可能であり、応用範囲が広いことから本発明の素材とした。
【００１８】
従来、アルミナ材を用いたヒートシンクに所定の熱を加えて温度を計測した例はあるが、アルミナ材を利用した冷却装置について、具体的にどの程度の放熱が可能かについて調べた例はない。そこで、本発明者は、以下の手順で、放熱が放射冷却であることの証明と放熱能力について詳細に調べ、アルミナ平板（アルミナヒートシンク３１）が、２０Ｗ／１００００ｍｍ２程度の放出能力を有することを検証した。ここで用いたアルミナ平板の純度は約９９％であり、放射率は約０．９７（室温〜１００℃）である。放射率は、財団法人ファインセラミックスセンターにおいてＰｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ製 ＳＹＳＴＥＭ２０００型 ＦＴＩＲ測定器を用い、放射体が理想物体（黒体）であるときの放射と、アルミナ平板の放射の比（全波長の比）から算出された。その際測定されたアルミナ平板の放射率の一例を図２に示す（３０℃、８０℃、１００℃で０，９７）。
【００１９】
図３に本研究に用いた実験装置を示す。主な構成は、２０ｍｍ(Ｘ)×４０ｍｍ(Ｙ)×２ｍｍ(Ｚ)サイズの薄いレジスタンスヒータ（抵抗加熱ヒータ）３２と、同じ形状の異なる放射率を有する平板のアルミナヒートシンク３１である。アルミナヒートシンク３１は比較的高い放射率値である０．９７を有し, 比較のための銅製ヒートシンクは低い放射率値である０．１を有する。レジスタンスヒータ３２のヒータ表面はステンレススチール（放射率は０．０５と非常に低い）でカバーされておりヒータ自身の放射（冷却）の影響を少なくしている。平板のアルミナヒートシンク３１は、複数のニードルによってＺ軸方向に４００Ｋｇｆ／ｍ２の荷重とともに押し付けられる。
ニードルは有機材をベースとしており、熱伝導率は０．１５〜０．２５Ｗ／ｍＫと非常に小さいので、ニードル固定により熱的に孤立しており熱エネルギーの熱伝導による移動は実験上無視し得る。
【００２０】
本実験装置は、外気と風の影響を避けるために密閉したガラス製の容器（３５９ｍｍ(Ｘ)×２２０ｍｍ(Ｙ)×２６２ｍｍ(Ｚ)）に収納さている。アルミナヒートシンク３１からの赤外放射はガラス容器を通過し、その外周にある黒い布に吸収される。この実験を通して、容器内の温度は室温から変化せず、無風であることを確認している（風速はＡｎｏｍｏｓｔｅｒ Ｍｏｄｅｌ ＡＭ−Ｂ１１／１１−２１１１ (日本化学工業製)の計測で検出下限以下の０．０５ｍ／ｓｅｃであった）。従って、この実験系では空冷効果ができる限り排除されていることが分かる（一般に，平板のヒートシンクでは、風速０〜３ｍ/ｓｅｃではあまり空冷効果は、現れない。下記引用文献参照）。この条件下で、３０〜１２０分間、ヒータに５Ｗ前後の範囲で一定電力を供給しレジスタンスヒータ３２表面の温度を熱伝対で測定し、飽和温度を判定する。
【００２１】
Y. Kurita, et al. “A 3D Stacked Memory
Integrated on a Logic Device Using SMAFTI
Technology” Electronic Components and Technology
Conference, pp821-829, 2007.
【００２２】
また、後述の応用実験では、ヒータ表面が飽和温度８０℃に達したときにおける供給電力（アルミナヒートシンク３１からの熱放出エネルギー）のヒートシシンク面積依存性を調べる。その際、実験取り扱いを、容易にするために比較的大きなサイズ（２４ｍｍ（Ｘ）×４９ｍｍ（Ｙ）×１．９ｍｍ（Ｚ））の
ヒータと三種類のアルミナヒートシンクを組み合わせて実験する（アルミナヒートシンク３１Ａ.５０ｍｍ（Ｘ） ×５０ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ）, アルミナヒートシンク３１Ｂ．７５ｍｍ（Ｘ）×７５ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ） ， アルミナヒートシンク３１Ｃ．１００ｍｍ（Ｘ）×１００ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ））。
【００２３】
図４に、異なる放射率を有するアルミナヒートシンク３１の冷却効果を示す。図中、ヒータ表面温度を示すカーブは、アルミナヒートシンク３１と銅製平板の結果である（ヒータサイズ、ヒートシンクの何れのサイズも２０ｍｍ(Ｘ)×４０ｍｍ(Ｙ)×２ｍｍ(Ｚ)である.）。30分間半導体集積回路に見立てたヒータに対して供給電力を５Ｗに固定して、ヒータ表面の温度上昇を測定した。ヒートシンクを用いない場合（コントロール）、ヒータ表面温度は室温から９７℃まで急激に上昇し以後一定となる。なおこの温度は一般的な半導体集積回路の駆動においてエラーを発生する温度である。
【００２４】
銅製ヒートシンクを用いた場合の温度カーブにおいても同様の結果が観察されており、温度は室温から８８℃まで温度が上昇しその後飽和する。この温度は、通常の半導体集積回路駆動における許容温度に近い温度である。その一方で、アルミナヒートシンク３１を用いた場合、飽和温度は６６℃であり、この温度は銅製ヒートシンクに比べて優位性のある低い温度となっている（この温度は、 LSI駆動において充分許容できる低い温度である。）。一般に、銅材の熱伝導率はアルミナ材の約６倍程度高いことが知られているが、本実験の実験装置は熱的に孤立しており、飽和温が放射率の大きさに依存していることから、放射冷却に起因した効率の良い冷却効果を得るには高い放射率を有する平板材が非常に有効であることが分かる。
【００２５】
次に、アルミナヒートシンク３１の冷却特性を理解するために、飽和温度８０℃におけるヒータへの供給電力（一般に、半導体集積回路の熱設計電力は、半導体集積回路への供給エネルギーで示される。また、放出必要なエネルギーの指標となっている。ここでのヒータへの供給エネルギーも熱設計電力に相当し、放出必要なエネルギーの指標となっている。）のヒートシンク面積依存性を調べた。なお、この温度は、通常の半導体集積回路駆動における許容範囲の温度である。図５の温度カーブはそれぞれ以下のヒートシンクサイズにおける結果である（アルミナヒートシンク３１Ａ.５０ｍｍ（Ｘ） ×５０ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ）, アルミナヒートシンク３１Ｂ．７５ｍｍ（Ｘ）×７５ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ）
， アルミナヒートシンク３１Ｃ．１００ｍｍ（Ｘ）×１００ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ））。
【００２６】
図５から分かるように、最もサイズの小さいアルミナヒートシンク３１Ａにおける、供給電力（放出エネルギー）は最も低い５．７５Ｗである。次にサイズの順にアルミナヒートシンク３１Ｂ、アルミナヒートシンク３１Ｃはそれぞれ、７．６３Ｗ、
１０．６１Ｗであった。これらの結果は、大きなサイズのヒートシンクは大きな供給電力（放出エネルギー）に対応していることがわかり、結果として５．７５Ｗから １０．６１Ｗのエネルギーの放出が可能であることを示唆している。
【００２７】
この結果をより理解するために図６に図５の実験から得たヒートシンク面積と供給エネルギー（放出エネルギー）の関係を示す。図から分かるように、実験の範囲において供給エネルギー（放出エネルギー）はヒートシンク面積に対してほぼ正比例であり、この関係は[式1]のように示すことができる。
【００２８】
Ｅ＝ＡＳ [式1]
【００２９】
ここで
Ｅは放出エネルギー、Ｓはヒートシンク面積、そしてＡは比例定数である。ここで留意すべきは、前章で述べたように実験系が空冷効果と熱伝導にできるだけ影響されないように構成されていることであり、実験では放射エネルギーが面積に依存していることから、考えられる解釈は放射冷却の効果であり、その関係は良く知られている[式2]のステファンボルツマンの式で表される。
【００３０】
Ｅ=εδT4S [式2]
【００３１】
[式2]でＥは放出エネルギー、εは補正係数（黒体では１）、δはステファン・ボルツマン定数（5.67×10-12[W m-2 K-4]）、Ｔは絶対温度、Ｓはヒートシンク面積である。以上から、アルミナヒートシンク３１による冷却効果は、放射冷却であり、その最大能力は１０Ｗ／１００００ｍｍ２程度であることが分かった。当初の目的の２０Ｗ／１００００ｍｍ２には至っていないが、簡単な構造でかつ無風相当の密閉空間でここまで放熱できることは、産業上非常に有効である（実施例に効果を述べる）。
【００３２】
さらに放射能力を２０Ｗ／１００００ｍｍ２程度まで上げるために、以下の調査を行った。これまで、アルミナヒートシンク３１と半導体集積回路に見立てたヒータの固定を（Ｚ）軸方向に４００ｋｇｆ／ｍ２の加重を与えることでデータを取得してきた。この加重が安定した結果を得るのに妥当な加重であるかを調べた。図７は、ヒータ温度が飽和温度８０℃における熱放射エネルギーの加重依存をプロットした図である。
【００３３】
図から分かるように、１７０ｋｇｆ／ｍ２以上の加重を与えることで、熱放射エネルギーが一定になることが分かる。これはアルミナヒートシンク３１とヒータ間熱抵抗の低減が熱放射エネルギー量に影響することを示す。概ね１０％程度の放熱量低減を許容範囲とすると８５ｋｇｆ／ｍ２以上の加重が有効な加重といえる。なお、熱抵抗はアルミナヒートシンク３１とレジスタンスヒータ３２または半導体集積回路空隙により発生していると考えられる。このため、アルミナヒートシンク３１と半導体集積回路またはレジスタンスヒータ３２間に、空隙を埋める粘性物質（シリコングリス、導電性グリス等）を塗布することで、加重無しに８５ｋｇｆ／ｍ２程度の放熱量を得ることができる。改善にはこれらのノウハウを踏襲する必要がある。
【００３４】
また、図５、図６で用いたアルミナヒートシンク３１の厚み（５ｍｍ）が適当であるかについても検討した。ここでは、飽和温度８０℃における、１００ｍｍ×１００ｍｍのアルミナヒートシンク３１Ｃと５０ｍｍ×５０ｍｍのアルミナヒートシンク３１Ａについて、それぞれの厚みを変えた場合に熱放射が可能なエネルギーを調べた。実験方法は図６と同じである。結果を図８に示す。図からわかるように、どちらのアルミナ板も板厚３ｍｍ〜８ｍｍにおいて熱放射の効率が良いことがわかる。従来、任意の飽和温度における、放射可能なエネルギーを検討する場合、ステファンボルツマンの式に従い、面積で検討することが常識であった。ところが、厚みの依存性があることが新たに分かった。
【００３５】
このメカニズムの詳細は不明だが、以下のように推測する。まず、アルミナの主成分の分子の数が多いほど、放射可能な量が増えると推察する。これは放射可能なエネルギーが面積に依存性を示すことからも推測可能である。図８の傾向から、厚み方向に分子数が増えた場合は、熱源に近い部分から発生した赤外光が、遠い部分に向かって通過する際、なんらかの吸収、反射によって、通過量が抑制される。これにより、放射可能なエネルギー適した厚みが発生すると考える。従って、図５、６の実験において、放熱量を増やすのに適した厚みである５ｍｍを用いるのことは、偶然であったが妥当と考える。なお、図４において、２ｍｍ厚のアルミナヒートシンクにおいて、レジスタンスヒータに５Ｗ印加時に６６℃程度の飽和温度を得るという、高い熱の放射能力が示されているが、これは、レジスタンスヒータ自身が、図６，７と違うものであること、またレジスタンスヒータとアルミナヒートシンクが同じサイズであり、熱抵抗が小さいことによることと考える。厚みを５ｍｍ程度にすることでさらに良い結果が得られると考える。
【００３６】
さらに放射能力を２０Ｗ／１００００ｍｍ２程度まで上げるために、図６におけるＢのアルミナヒートシンク３１Ｂ（７５ｍｍ（Ｘ）×７５ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ））に関して、レジスタンスヒータ表面、アルミナヒートシンク３１Ｂの中心、アルミナヒートシンク３１Ｂのヒートシンク端の温度を調べた。結果を図９に示す。
【００３７】
アルミナヒートシンク３１Ｂの中心の温度は、レジスタンスヒータ表面と同じ８０℃であるが、アルミナヒートシンク３１Ｂのヒートシンク端の温度は７℃低い７３℃であった。本発明者は、アルミナヒートシンク３１Ｂの端における熱伝導を改善することで、さらなる放熱性能向上ができると考え、アルミナヒートシンク３１ＢとＣＰＵなどの半導体集積回路に見立てたヒータ間に熱伝導の良い伝熱用金属板（アルミ板）を挟むことを試みた。伝熱用金属板（アルミ板）の上面から見たサイズは、半導体集積回路に見立てたヒータよりも大きく、アルミナヒートシンク３１Ｂと同じサイズである。結果を図１０に示す。加重は、これまでと同じく４００ｋｇｆ／ｍ２の加重がかけられた。
【００３８】
図９と同様に、ヒータ表面の温度と、アルミナヒートシンク３１Ｂの中心の温度は８０℃であった。また、図８と違う点は、アルミナヒートシンク３１Ｂヒートシンク端の温度が８０℃であることと、熱放出エネルギーが１５．１Ｗまで上昇したことである。同等の結果が他の金属板（ステンレス鋼、銅材）でも確認された。
【００３９】
図１０に示す構造における飽和温度８０℃における熱放出エネルギーの面積依存性を調べた。結果を図１１に示す。
【００４０】
図１１のグラフから分かるように、図１０に示すようにアルミナ平板とヒータの間に伝熱用金属板を入れることでアルミナヒートシンク３１Ｂからの放熱エネルギーを約２倍程度増加させることができた。図９、図１０のアルミナヒートシンク３１Ｂのヒートシンク端における数度の温度差でこれだけの増加がある理由は不明だが、熱伝導性が良い金属板を挟むことによりヒータの熱が効率的に金属板の周辺部に伝わり、更にアルミナヒートシンク３１Ｂの周辺部から効率的に熱放射することできるものと思われる。結果的に大きな放熱効果を得ることができた。以上から当初の目的である２０Ｗ／１００００ｍｍ２程度の放出能力を有する平板ヒートシンクを実現できた。また、図９のような金属板を用いない構造でも、１０Ｗ程度の放出能力が得られていることから、必要能力とコストによって使い分ける技術を確立できた。
【００４１】
現在、熱設計出力１０Ｗ程度の半導体集積回路を用いる場合、４５ｍｍ（Ｘ）×４５ｍｍ（Ｙ）×４５ｍｍ（Ｚ）サイズの空冷フィン型ヒートシンクが用いられているが、図１１から面積２０００ｍｍ２程度（４５ｍｍ（Ｘ）×４５ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ）程度の）アルミナヒートシンクと代替が可能であると予想できる。
【００４２】
そこで、４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンクと熱設計出力８ＷのＣＰＵ（コア部分が露出しており、コア部分の面積が５０ｍｍ２程度）とが用いられている小型デスクトップ型コンピュータにおいて、ＣＰＵに６０分間１００％の負荷をかけ、図１０に示すように４５ｍｍ×４５ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク３１Ｄとアルミ板とを重ねて載置して用いた（ＣＰＵに熱伝導用アルミ板を重ね更にその上にアルミナ平板ヒートシンク３１Ｄを重ねて用いた。以下の各実施例でも同様の順序で載置した）場合と比較した。密閉容器内の風速は、０．０５ｍ／ｓｅｃである。密閉容器の樹脂壁面とアルミナ平板ヒートシンク３１Ｄの表面との間隔を、１０ｍｍとした。その結果、ほぼ同等の性能（ＣＰＵの表面温度は５０℃：許容温度である９０℃以下）であることが分かった。これは、放射率０．９７のアルミナ平板ヒートシンク３１Ｄをもちいているが、放射率０．８０のアルミナ平板ヒートシンクにおいてもＣＰＵ表面温度は６０℃程度であり許容温度以下である。上記説明はＣＰＵのコア部分が露出していることを前提としたが、コアが露出していないタイプのＣＰＵではセラミック等のパッケージ（２００ｍｍ２乃至９００ｍｍ２程度の表面積、つまり１５ｍｍ×１５ｍｍ乃至３０ｍｍ×３０ｍｍ程度）に、このパッケージよりも熱伝導用アルミ板を重ね更にその上にアルミナ平板ヒートシンク３１Ｄを重ねて用いる（以下の各実施例において、アルミナ平板ヒートシンク３１Ｄの代わりにアルミナ平板ヒートシンク３１Ａ又はアルミナ平板ヒートシンク３１Ｃを用いる場合がある点を除いて同じ）。
【００４３】
また、アルミナ平板ヒートシンク３１Ｄが露出する最も広い面と対向する密閉容器の樹脂壁面との間隔を、０ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍとしているが、ＣＰＵの表面温度は５０℃〜６０℃であり動作に影響はなかった。この際の樹脂壁面の温度は、３０〜３５℃であった。この樹脂壁面の温度は樹脂壁面に人の皮膚が接触しても火傷などに至ることはない温度である。
【００４４】
また、アルミナ平板ヒートシンク３１Ｄが露出する最も広い面と対向する密閉容器の金属壁面（黒色塗装）との間隔を、１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍとしたが、ＣＰＵの表面温度は５０℃〜６０℃であり動作に影響はなかった。この際の樹脂温度は、３５〜４０℃であった。火傷などにいたることはなかった。
【００４５】
なお、このＣＰＵには、同系列に４Ｗのラインアップがありこちらは個人向け携帯機器であるネットブック（商標）に搭載されている。８Ｗ品も搭載要求があるが、放熱が難しく、小型デスクトップにしか適用されていない。本発明により、ヒートシンク容積を低減することが可能であり、個人向け携帯機器への適用が可能となった。以上で集積回路とアルミナヒートシンクとの組み合わせによる放射冷却性能についての説明を終わる。
【００４６】
次に上記アルミナヒートシンクを取りつけたＣＰＵを実際の実装形態に近い状況で稼働させた実施例について説明する。以下の実施例１乃至実施例１６では、ＣＰＵのコア部分が露出しており、コア部分の面積がコア２つ（デュアルコア）で５０ｍｍ２（１０ｍｍ×５ｍｍ）程度であり熱設計出力８ＷのＣＰＵを用いる。実施例１乃至実施例４にかかる実験装置図を図１２に示す。
【００４７】
実施例１
４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンクと熱設計出力８ＷのＣＰＵ１２５が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク１２３（その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク３１Ａと同様である）を、ＣＰＵ基台１２６上のＣＰＵ１２５の上面に接触するように重り１２１と重り支え１２２により４００ｋｇｆ／ｍ２の荷重をアルミナ平板ヒートシンク１２３に加えて載置し、３０分間ＣＰＵ１２５に使用率１００％の負荷を加えて稼働させた。密閉容器１２７内の風速は、０．０５ｍ／ｓｅｃである。アルミナ平板ヒートシンク１２３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１２４の壁面との間隔が１０ｍｍとした。風速は０．０５ｍ／ｓｅｃ以下である。その際のアルミナヒートシンク平板１２３の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク１２３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。樹脂板１２４の壁面温度は３０℃程度であった。なお、図１２において樹脂板１２４には重り支え１２２の脚を通すための４つの穴があり、穴の２つが側面から見た断面図に書かれている。そのため図１２では樹脂板１２４が３つの部分に分かれているように示されている。以下の他の図（図１３の金属板１３４、図１４の樹脂板１４５、図１５の金属板１５５、図１６の樹脂板１６５）でも同様である。
【００４８】
実施例２
実施例１において、アルミナ平板ヒートシンク１２３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１２４の壁面との間隔を５ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１２３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。樹脂板１２４の壁面温度は３０℃程度であった。
【００４９】
実施例３
実施例１において、アルミナ平板ヒートシンク１２３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１２４の壁面との間隔を０ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１２３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。樹脂板１２４の壁面温度は３５℃程度であった。
【００５０】
実施例４
実施例１において、風速を０．０５〜３．０ｍ／ｓｅｃの範囲で実験したが、各温度は０〜３℃程度の変化しかなかった。
【００５１】
次に実施例５〜７にかかる実験装置図を図１３に示す。
実施例５
４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンク熱設計出力８ＷのＣＰＵ１３５が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク１３３（その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク３１Ａと同様である）をＣＰＵ基台１３６上のＣＰＵ１３５に接触するように重り１３１と重り支え１３２により４００ｋｇｆ／ｍ２の荷重を加えて設置し、３０分間ＣＰＵ１３５の使用率１００％の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク１３３が露出する最も広い面と対向する金属板１３４の壁面との間隔を１０ｍｍとした。風速は０．０５ｍ／ｓｅｃ以下である。金属板１３４のアルミナ平板ヒートシンク１３３との対向面にはつや消し黒色の塗装を施した。その際のアルミナ平板ヒートシンク１３３の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク１３３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。金属板１３４の壁面温度は３０℃程度であった。
【００５２】
実施例６
実施例５において、アルミナ平板ヒートシンク１３３が露出する最も広い面と対向する金属板１３４の壁面との間隔を５ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１３３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。金属板１３４の壁面温度は３５℃程度であった。
【００５３】
実施例７
実施例５において、アルミナ平板ヒートシンク１３３が露出する最も広い面と対向する金属板１３４の壁面との間隔が０ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１３３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。金属板１３４の壁面温度は４０℃程度であった。
【００５４】
次に実施例８〜１０にかかる実験装置図を図１４に示す。
実施例８
４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンク熱設計出力８ＷのＣＰＵ１４６が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、４５ｍｍ×４５ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク１４３（その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク３１Ｄと同様である）とアルミナ平板ヒートシンク１４３と略同寸法（但し厚みは１ｍｍ乃至５ｍｍ）のアルミ板１４４とを図に示す順に重ね、ＣＰＵ基台１４７上のＣＰＵ１４６の上面に接触するように重り１４１と重り支え１４２により４００ｋｇｆ／ｍ２の荷重を加えて設置し、３０分間ＣＰＵ１４６の使用率１００％の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク１４３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１４５の壁面との間隔を１０ｍｍとした。図１４においてアルミ板（伝熱用金属板）１４４の下面の面積はＣＰＵ１４６の上面のコア部分の面積よりも大きく、アルミ板１４４の上面の面積はアルミナ平板ヒートシンク１４３の下面の面積と略同一である。又ＣＰＵ１４６の上面がアルミ板（伝熱用金属板）１４４の下面の中心部で接触している必要はなく、アルミ板（伝熱用金属板）１４４の片方に偏って接触しても良く、以下のアルミ板（伝熱用金属板）を用いる他の実施例でも同様である。風速は０．０５ｍ／ｓｅｃ以下である。その際のアルミナ平板ヒートシンク１４３の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク１４３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の５０〜６０℃であった。樹脂板１４５の壁面温度は３０℃程度であった。
【００５５】
実施例９
実施例７において、アルミナ平板ヒートシンク１４３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１４５の壁面との間隔を５ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１４３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の５０〜６０℃であった。樹脂板１４５の壁面温度は３５℃程度であった。
【００５６】
実施例１０
実施例７において、アルミナ平板ヒートシンク１４３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１４５の壁面との間隔を０ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１４３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の５０〜６０℃であった。樹脂板１４５の壁面温度は４０℃程度であった。
【００５７】
次に実施例１１〜１３にかかる実験装置図を図１５に示す。
実施例１１
４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンク熱設計出力８ＷのＣＰＵ１５６が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、４５ｍｍ×４５ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク１５３（その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク３１Ｄと同様である）とアルミナ平板ヒートシンク１５３と略同寸法（但し厚みは１ｍｍ乃至５ｍｍ）のアルミ板（伝熱用金属板）１５４とを図に示す順に重ね、ＣＰＵ基台１５７上のＣＰＵ１５６の上面に接触するように重り１５１と重り支え１５２により４００ｋｇｆ／ｍの荷重を加えて設置し、３０分間ＣＰＵ１５６の使用率１００％の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク１５３が露出する最も広い面と対向する金属板１５５の壁面との間隔を１０ｍｍとした。図１５においてアルミ板１５４の下面の面積はＣＰＵ１５６のコア部分の面積よりも大きく、アルミ板１５４の上面の面積はアルミナ平板ヒートシンク１５３の下面の面積と略同一である。風速は０．０５ｍ／ｓｅｃ以下である。密閉容器内の風量は、０．０５ｍ／ｓｅｃである。金属板１５５のアルミナ平板ヒートシンク１５３との対向面にはつや消し黒色の塗装を施した。その際のアルミナ平板ヒートシンク１５３の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク１５３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の５０〜６０℃であった。金属板１５５の壁面温度は３０℃程度であった。
【００５８】
実施例１２
実施例１０において、アルミナ平板ヒートシンク１５３が露出する最も広い面と対向する金属板１５５の壁面との間隔を５ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１５３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の５０〜６０℃であった。金属板１５５の壁面温度は３５℃程度であった。
【００５９】
実施例１３
実施例１１において、アルミナ平板ヒートシンク１５３が露出する最も広い面と対向する金属板１５５の壁面との間隔を０ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１５３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。金属板１５５の壁面温度は４０℃程度であった。
【００６０】
次に実施例１４にかかる実験装置図を図１６に示す。
【００６１】
実施例１４
４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンク＋電動ファンを積載する熱設計出力２０ＷのＣＰＵ１６６が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンク＋電動ファンをはずし、１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク１６３（その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク３１Ｃと同様である）とアルミナ平板ヒートシンク１６３と略同寸法（但し厚みは１ｍｍ乃至５ｍｍ）のアルミ板（伝熱用金属板）１６４とを図に示す順に重ね、ＣＰＵ基台１６７上のＣＰＵ１６６の上面に接触するように重り１６１と重り支え１６２により４００ｋｇｆ／ｍ２の荷重を加えて設置し、３０分間ＣＰＵ１６６の使用率１００％の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク１６３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１６５の壁面との間隔を１０ｍｍとした。図１６においてアルミ板１６４の下面の面積はＣＰＵ１６６のコア部分の面積よりも大きく、アルミ板１６４の上面の面積はアルミナ平板ヒートシンク１６３の下面の面積と略同一である。風速は０．０５ｍ／ｓｅｃ以下である。その際のアルミナ平板ヒートシンク１６３の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク１６３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の６０〜７０℃であった。樹脂板１６５の壁面温度は３０℃程度であった。以上で各実施例の説明を終わる。
【００６２】
以上説明したように、本発明の冷却装置によれば、高発熱の半導体デバイスに該半導体デバイスよりも面積の大きな導熱用金属板とアルミナヒートシンクとを密着させているので熱放射により高効率な冷却が可能であり、特に樹脂製筺体や金属製筺体に半導体デバイスを封入する小型電子機器に使用した場合にこれら樹脂製筺体や金属製筺体を通して効率的に放熱でき、かつ冷却ファンが不要で高さ方向の小さく、冷却フィンもなく冷却用の電力が不要な非常に好適な冷却装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１１ アルミナ材平板
１２ 半導体集積回路とパッケージ
３１ アルミナヒートシンク
３２ レジスタンスヒータ
１２１ 重り
１２２ 重り支え
１２３ アルミナ平板ヒートシンク
１２４ 樹脂板
１２５ ＣＰＵ
１２６ ＣＰＵ基台
１２７ 密閉容器
１３１ 重り
１３２ 重り支え
１３３ アルミナ平板ヒートシンク
１３４ 金属板
１３５ ＣＰＵ
１３６ ＣＰＵ基台
１３７ 密閉容器
１４１ 重り
１４２ 重り支え
１４３ アルミナ平板ヒートシンク
１４４ アルミ板（伝熱用金属板）
１４５ 樹脂板
１４６ ＣＰＵ
１４７ ＣＰＵ基台
１４８ 密閉容器
１５１ 重り
１５２ 重り支え
１５３ アルミナ平板ヒートシンク
１５４ アルミ板（伝熱用金属板）
１５５ 金属板
１５６ ＣＰＵ
１５７ ＣＰＵ基台
１５８ 密閉容器
１６１ 重り
１６２ 重り支え
１６３ アルミナ平板ヒートシンク
１６４ アルミ板（伝熱用金属板）
１６５ 樹脂板
１６６ ＣＰＵ
１６７ ＣＰＵ基台
１６８ 密閉容器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミナ材料を用いた冷却板、及び冷却方法、特に効率の良い放射冷却の期待できる高効率の放射率を有するアルミナ材料を用いた冷却装置に関する。さらに詳しく言えば、本発明は近年、小型化、多機能、高速化の進歩と普及の著しい、ノートパソコン、ネットブック、パーソナルデジタルアシスタント（PDA）、高機能携帯電話（スマートフォン）などの個人向け携帯機器など、薄型の小型機器の本体内の密閉空間において高集積回路を駆動した時の発熱を好適に外部へ放出しえる冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、屋外を含めた無線ローカルエリアネットワーク（無線LAN）を始めとする各種通信インフラの急激な普及が、ノートパソコンやネットブックなどの携帯型コンピュータ、PDA、スマートフォン等の個人向け携帯機器の需要を喚起しており、製品の差別化の要求から多機能型、高速型の小型電子機器の需要が増加している。これまで、これらの機器の多機能化、高速化は、半導体集積回路の微細加工技術の進展に合わせて実現されてきたが、近年、物理的限界により微細加工技術の発展が鈍化しており、これを解決するために集積化回路チップを積層化する技術の導入が検討されている。
【０００３】
ところが積層構造のような高密度実装においては、微小面積に対して発熱が集中して、内部温度が上昇するため集積回路駆動時のエラーが発生しやすい。また、これとは別のアプローチとして、パーソナルコンピュータ用CPUを低消費電力化し、携帯端末へ適用する検討も進められているが、もともと発熱の多いCPUをベースとしているため、消費電力の制約から本来の機能を引き出せずにいるのが現状である。さらには、このＣＰＵをベースに積層構造の集積回路を適用したCPUの開発も検討されている。このようななか、冷却効率のよい小型冷却装置の要求が強くなっているがこの要求を充分に満足するものがない。一般に、個人向け携帯機器の性能向上の核となる、CPUやASIC、FPGAなどの半導体集積回路においては、従来の比較的大型の据え置き型ノートパソコンの仕様から推測すると、高機能化・高速化が可能な小型CPUやASIC、FPGAの駆動電力は〜２０W程度が予想される。ところが、現状の携帯機器の性能維持の核となる、小型CPUやASIC、FPGAなどの半導体集積回路の駆動電力は２W〜４W程度を用いているのが現状である。かかる現状の原因は携帯機器が内蔵する電池の容量が不足していることのみならず、発熱の問題も主な原因の１つと考えられる。なぜなら、一般に半導体集積回路の駆動時に、半導体集積回路の温度がおおよそ９０℃以上に上昇すると、絶縁膜内にリーク電流が発生し、エラーを誘発するからである（下記引用文献参照）。
【０００４】
Y. Kurita, et al. “A 3D Stacked Memory
Integrated on a Logic Device Using SMAFTI
Technology” Electronic Components and Technology
Conference, pp821-829, 2007.
【０００５】
このような状況に至った理由としては、従来の冷却法が、原理的に大きな熱媒体を必要とするフィン型ヒートシンクや、基板を介した熱伝導に依存しており、個人向け携帯機器のサイズにかなう手法があまり検討されていなかったことによる。この問題を解決するために、半導体集積回路や端子ピッチが異なる集積回路チップとメイン基板の間で中継するためのインターポーザーに冷却機構としてマイクロ流路を設ける開発が進められているが（下記引用文献参照）、これらの流路形成には微細加工技術を用いており、製造工程増とコスト高を伴う可能性が高く、個人向け携帯端末よりもハイエンド品への適用が適した解と言える。
【０００６】
J. U. Knickerbocker, et al. “System-on-Package
(SOP) Technology, Characterization and Applications”Electronic
Components and Technology Conference, pp415-421, 2006.
Calvin. R. King, Jr., et al. “3D Stacking of
Chips with Electrical and Microfluidic I/O Interconnects” Electronic Components and Technology Conference, pp1-7, 2008.
M. Yu, et al. “Fabrication of Silicon Carriers with TSV Electrical Interconnections
and Embedded Thermal Solutions for High Power 3-D Package” Electronic Components and Technology Conference, pp24-28, 2008.
M. Sunohara, et al. “Silicon Interposer with
TSVs(Through Silicon Vias) and Fine Multilayer Wireing”
Electronic Components and Technology Conference, pp847-852, 2008.
【０００７】
特許文献１では、アルミナの含有率が９５重量％以上で好ましくは９７重量％乃至９８重量パーセントであり、熱放射率が０．９３乃至０．９８で３０〜６０W/m・Kの熱伝導率を有する20(mm;幅)×40(mm;長さ)×6(mm;厚み)の形状の陶磁器熱放射性固体物を、表面(上面)温度を９８〜１００℃に設定した発熱体（20(mm;幅)×40(mm;長さ)×3(mm;厚み)の形状のマイカヒーター）の上面に密着させたところ、１０分後には６７℃に低下してその温度を維持した旨が開示されている（００１６段落、００２０段落及び表３）。
【０００８】
又特許文献２では、ノート型パーソナルコンピュータやフラットパネルディスプレイなどの薄型又は小型の電子機器に好適であって放熱を効率よく行なえる熱放射膜、熱放射構造体、熱放射性部材、及び熱放射性機器を提供することを課題とし、電子機器の筐体（基材）２０の表面上に、アルミニウム層２１とＳｉＯ0.98層２２ａ／ＳｉＯ1.20層２２ｂ／ＳｉＯ1.70層２２ｃの４層の膜をコーティングして、光反射性のアルミニウム層２１上に３層の積層膜からなる波長選択放射膜２２を形成した熱放射構造体２３、及びこの熱放射構造体２３を外表面に設けた電子機器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２９８７０３号公報
【特許文献２】特開２００５−１４４９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１では、アルミナの含有率が好ましくは９７重量％乃至９８重量パーセントの陶磁器熱放射性固体物が冷却用に好適であることは示されているが、どの位の発熱量の半導体に用いることができるかについては何ら示されていない。
【００１１】
又、特許文献２（特開２００５−１４４９８５号公報）では、酸化珪素、チッカ珪素とポリビニルクロライド又はポリビニルフルオライドによって構成される熱放射膜による放射冷却法を提案しているが、たとえ放射率が０．７〜０．９と高い値でも、熱放熱膜を用いているため、熱源との固定において空隙の発生による熱抵抗の増加や、接着材自身の熱抵抗追加が予想され、本件の課題である個人向け携帯機器への利用、性能向上にかなっているかは明確ではない。
【００１２】
先に述べたように、個人向け携帯機器に利用される半導体集積回路の駆動電力は、いまのところ２〜４Ｗ程度であり、たとえこれ以上に駆動電力が高く動作するように設計されていても、駆動電力を下げ性能を制限する手法に依存しているのが現状である。一般に、半導体集積回路では、高速化は駆動電力に依存しており、最大２０Ｗ程度の駆動電力を投入できれば概ね多機能高速化に対応できる。個人向け携帯機器に利用できる冷却装置の最大面積は概ね１００ｍｍ×１００ｍｍ程度であり平板であることが有利である。この平板で２０Ｗ／１００００ｍｍ２の熱エネルギー放出能力を有する放熱機構を提供することにより、半導体集積回路のエラーを誘発する一般的温度である９０℃よりも低い温度に保つ装置を提供することを課題とする。
【００１３】
また、放射冷却は無電源の冷却機構であることから、従来２０Ｗ程度の駆動電力の半導体集積には、この出力の1/１０程度の空冷用ファンを搭載することが一般的であるので1/１０程度の省電力を可能とする（インテル Ｄ９４５ＧＣＬＦ２基板搭載ファンを参考にした）。本発明では、小型機器中で性能向上または維持の核となる小型ＣＰＵ，ＡＳＩＣなどの比較的駆動電力の高い半導体集積回路に例えばアルミ板や銅板などの高い熱伝導率を有する伝熱用金属板を介して、赤外領域での高い放射率を有する固体アルミナ材料を接触させ、熱エネルギーを赤外光に変換して放出する放射冷却を利用した冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者が鋭意検討した結果、個人携帯機器中の半導体集積回路の駆動によって発生した熱を効率よく外部へ放熱するには、小型携帯性と効率の良い放熱特性の両件を満たす手法が必要である。これには、平板構造でよりよく熱を放熱できる、高放射率を有するアルミナ材を直接半導体集積回路パッケージ表面に接触させて、熱をアルミナ材平板に熱伝導により移動させ、これらを赤外光に変換させて放射する放射冷却を用いればよいと考え本発明に至った。すなわち、上記課題を解決するために本発明の冷却装置は、半導体集積回路のコア又はパッケージの表面に載置する伝熱用金属板と、前記伝熱用金属板に更に載置する放射冷却用の放射率０．８以上のアルミナ材を主成分とするアルミナ板とから構成される冷却装置であり、前記伝熱板の面積及び前記アルミナ板の面積が、前記コア又はパッケージの表面の面積よりも大きいことを特徴とする。好ましくは前記セラミック板を前記コア又はパッケージ表面に載置した状態で前記アルミナ板に８５ｋｇｆ／ｍ２以上の荷重を加えて使用する
【発明の効果】
【００１５】
高さ方向に嵩張る冷却フィンや駆動電力を必要とする冷却ファンを必要とせず、ＣＰＵ等の発熱量の多い半導体デバイスを熱放射により効率的に冷却可能な薄型で、小型高効率の冷却装置を提供することができる。特に樹脂や金属性の筺体に密閉されている小型電子機器の半導体デバイスの冷却に好適な小型高効率の冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の冷却装置の概念図である。
【図２】本発明実験に用いたアルミナ（西村陶業製Ｎ−９Ｈ）の放射率を求めた際のデータを示す図である。
【図３】本発明の冷却板の特性調査に用いた装置を示す概念図である。
【図４】アルミナ平板と銅平板の表面温度の時間変化を示す図である。
【図５】それぞれ寸法の異なるアルミナ平板Ａ，Ｂ，Ｃにおける飽和温度８０℃に至る温度特性を示す図である。
【図６】飽和温度８０℃の場合における熱放射エネルギーとアルミナ平板ヒートシンク面積との関係を示す図である。
【図７】それぞれ面積の異なるアルミナヒートシンクにおける荷重と熱放射エネルギーとの関係（飽和温度８０℃）を示す図である。
【図８】アルミナ板厚と放熱可能なエネルギーとの関係（飽和温度８０℃）を示す図である。
【図９】図７におけるＢのアルミナ平板ヒートシンクを用いた場合の表面温度の比較（飽和温度８０℃）を示す図である。
【図１０】図７におけるＢのアルミナ平板ヒートシンクと同じサイズの金属板をヒータとの間に挟んだ場合の表面温度の比較（飽和温度８０℃）を示す図である。
【図１１】図１０のアルミナ平板＋金属板＋ヒータと図９のアルミナ平板＋ヒータの放熱エネルギーとアルミナ平板面積依存性の比較する図である。
【図１２】実施例１〜４の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。
【図１３】実施例５〜７の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。
【図１４】実施例８〜１０の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。
【図１５】実施例１１〜１３の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。
【図１６】実施例１４の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係る冷却板、及び冷却方法の好適な実施形態について詳細に説明する。図１に、本発明の原理を示す簡単な構成図を示す。図１は半導体集積回路及びパッケージ１２に冷却用のアルミナ材平板１１とを重ねて載置したものであり、半導体集積回路のコア又はパッケージ１２からアルミナ材平板１１へは熱伝導で熱が移動し、アルミナ材平板１１から外部空間へは赤外放射により放射冷却によって熱が移動する。一般にセラミックであるアルミナ、ジルコン、窒化アルミナ、などは放射率が高いことが知られているが、特にアルミナは、安価で且つ高純度化が容易で放射率を高くすることが容易であり、且つ他のセラミックに比べて強度があるため、厚みを薄くすることが可能であり、応用範囲が広いことから本発明の素材とした。
【００１８】
従来、アルミナ材を用いたヒートシンクに所定の熱を加えて温度を計測した例はあるが、アルミナ材を利用した冷却装置について、具体的にどの程度の放熱が可能かについて調べた例はない。そこで、本発明者は、以下の手順で、放熱が放射冷却であることの証明と放熱能力について詳細に調べ、アルミナ平板（アルミナヒートシンク３１）が、２０Ｗ／１００００ｍｍ２程度の放出能力を有することを検証した。ここで用いたアルミナ平板の純度は約９９％であり、放射率は約０．９７（室温〜１００℃）である。放射率は、財団法人ファインセラミックスセンターにおいてＰｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ製 ＳＹＳＴＥＭ２０００型 ＦＴＩＲ測定器を用い、放射体が理想物体（黒体）であるときの放射と、アルミナ平板の放射の比（全波長の比）から算出された。その際測定されたアルミナ平板の放射率の一例を図２に示す（３０℃、８０℃、１００℃で０，９７）。
【００１９】
図３に本研究に用いた実験装置を示す。主な構成は、２０ｍｍ(Ｘ)×４０ｍｍ(Ｙ)×２ｍｍ(Ｚ)サイズの薄いレジスタンスヒータ（抵抗加熱ヒータ）３２と、同じ形状の異なる放射率を有する平板のアルミナヒートシンク３１である。アルミナヒートシンク３１は比較的高い放射率値である０．９７を有し, 比較のための銅製ヒートシンクは低い放射率値である０．１を有する。レジスタンスヒータ３２のヒータ表面はステンレススチール（放射率は０．０５と非常に低い）でカバーされておりヒータ自身の放射（冷却）の影響を少なくしている。平板のアルミナヒートシンク３１は、複数のニードルによってＺ軸方向に４００Ｋｇｆ／ｍ２の荷重とともに押し付けられる。
ニードルは有機材をベースとしており、熱伝導率は０．１５〜０．２５Ｗ／ｍＫと非常に小さいので、ニードル固定により熱的に孤立しており熱エネルギーの熱伝導による移動は実験上無視し得る。
【００２０】
本実験装置は、外気と風の影響を避けるために密閉したガラス製の容器（３５９ｍｍ(Ｘ)×２２０ｍｍ(Ｙ)×２６２ｍｍ(Ｚ)）に収納さている。アルミナヒートシンク３１からの赤外放射はガラス容器を通過し、その外周にある黒い布に吸収される。この実験を通して、容器内の温度は室温から変化せず、無風であることを確認している（風速はＡｎｏｍｏｓｔｅｒ Ｍｏｄｅｌ ＡＭ−Ｂ１１／１１−２１１１ (日本化学工業製)の計測で検出下限以下の０．０５ｍ／ｓｅｃであった）。従って、この実験系では空冷効果ができる限り排除されていることが分かる（一般に，平板のヒートシンクでは、風速０〜３ｍ/ｓｅｃではあまり空冷効果は、現れない。下記引用文献参照）。この条件下で、３０〜１２０分間、ヒータに５Ｗ前後の範囲で一定電力を供給しレジスタンスヒータ３２表面の温度を熱伝対で測定し、飽和温度を判定する。
【００２１】
Y. Kurita, et al. “A 3D Stacked Memory
Integrated on a Logic Device Using SMAFTI
Technology” Electronic Components and Technology
Conference, pp821-829, 2007.
【００２２】
また、後述の応用実験では、ヒータ表面が飽和温度８０℃に達したときにおける供給電力（アルミナヒートシンク３１からの熱放出エネルギー）のヒートシシンク面積依存性を調べる。その際、実験取り扱いを、容易にするために比較的大きなサイズ（２４ｍｍ（Ｘ）×４９ｍｍ（Ｙ）×１．９ｍｍ（Ｚ））の
ヒータと三種類のアルミナヒートシンクを組み合わせて実験する（アルミナヒートシンク３１Ａ.５０ｍｍ（Ｘ） ×５０ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ）, アルミナヒートシンク３１Ｂ．７５ｍｍ（Ｘ）×７５ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ） ， アルミナヒートシンク３１Ｃ．１００ｍｍ（Ｘ）×１００ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ））。
【００２３】
図４に、異なる放射率を有するアルミナヒートシンク３１の冷却効果を示す。図中、ヒータ表面温度を示すカーブは、アルミナヒートシンク３１と銅製平板の結果である（ヒータサイズ、ヒートシンクの何れのサイズも２０ｍｍ(Ｘ)×４０ｍｍ(Ｙ)×２ｍｍ(Ｚ)である.）。30分間半導体集積回路に見立てたヒータに対して供給電力を５Ｗに固定して、ヒータ表面の温度上昇を測定した。ヒートシンクを用いない場合（コントロール）、ヒータ表面温度は室温から９７℃まで急激に上昇し以後一定となる。なおこの温度は一般的な半導体集積回路の駆動においてエラーを発生する温度である。
【００２４】
銅製ヒートシンクを用いた場合の温度カーブにおいても同様の結果が観察されており、温度は室温から８８℃まで温度が上昇しその後飽和する。この温度は、通常の半導体集積回路駆動における許容温度に近い温度である。その一方で、アルミナヒートシンク３１を用いた場合、飽和温度は６６℃であり、この温度は銅製ヒートシンクに比べて優位性のある低い温度となっている（この温度は、 LSI駆動において充分許容できる低い温度である。）。一般に、銅材の熱伝導率はアルミナ材の約６倍程度高いことが知られているが、本実験の実験装置は熱的に孤立しており、飽和温が放射率の大きさに依存していることから、放射冷却に起因した効率の良い冷却効果を得るには高い放射率を有する平板材が非常に有効であることが分かる。
【００２５】
次に、アルミナヒートシンク３１の冷却特性を理解するために、飽和温度８０℃におけるヒータへの供給電力（一般に、半導体集積回路の熱設計電力は、半導体集積回路への供給エネルギーで示される。また、放出必要なエネルギーの指標となっている。ここでのヒータへの供給エネルギーも熱設計電力に相当し、放出必要なエネルギーの指標となっている。）のヒートシンク面積依存性を調べた。なお、この温度は、通常の半導体集積回路駆動における許容範囲の温度である。図５の温度カーブはそれぞれ以下のヒートシンクサイズにおける結果である（アルミナヒートシンク３１Ａ.５０ｍｍ（Ｘ） ×５０ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ）, アルミナヒートシンク３１Ｂ．７５ｍｍ（Ｘ）×７５ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ）
， アルミナヒートシンク３１Ｃ．１００ｍｍ（Ｘ）×１００ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ））。
【００２６】
図５から分かるように、最もサイズの小さいアルミナヒートシンク３１Ａにおける、供給電力（放出エネルギー）は最も低い５．７５Ｗである。次にサイズの順にアルミナヒートシンク３１Ｂ、アルミナヒートシンク３１Ｃはそれぞれ、７．６３Ｗ、
１０．６１Ｗであった。これらの結果は、大きなサイズのヒートシンクは大きな供給電力（放出エネルギー）に対応していることがわかり、結果として５．７５Ｗから １０．６１Ｗのエネルギーの放出が可能であることを示唆している。
【００２７】
この結果をより理解するために図６に図５の実験から得たヒートシンク面積と供給エネルギー（放出エネルギー）の関係を示す。図から分かるように、実験の範囲において供給エネルギー（放出エネルギー）はヒートシンク面積に対してほぼ正比例であり、この関係は[式1]のように示すことができる。
【００２８】
Ｅ＝ＡＳ [式1]
【００２９】
ここで
Ｅは放出エネルギー、Ｓはヒートシンク面積、そしてＡは比例定数である。ここで留意すべきは、前章で述べたように実験系が空冷効果と熱伝導にできるだけ影響されないように構成されていることであり、実験では放射エネルギーが面積に依存していることから、考えられる解釈は放射冷却の効果であり、その関係は良く知られている[式2]のステファンボルツマンの式で表される。
【００３０】
Ｅ=εδT4S [式2]
【００３１】
[式2]でＥは放出エネルギー、εは補正係数（黒体では１）、δはステファン・ボルツマン定数（5.67×10-12[W m-2 K-4]）、Ｔは絶対温度、Ｓはヒートシンク面積である。以上から、アルミナヒートシンク３１による冷却効果は、放射冷却であり、その最大能力は１０Ｗ／１００００ｍｍ２程度であることが分かった。当初の目的の２０Ｗ／１００００ｍｍ２には至っていないが、簡単な構造でかつ無風相当の密閉空間でここまで放熱できることは、産業上非常に有効である（実施例に効果を述べる）。
【００３２】
さらに放射能力を２０Ｗ／１００００ｍｍ２程度まで上げるために、以下の調査を行った。これまで、アルミナヒートシンク３１と半導体集積回路に見立てたヒータの固定を（Ｚ）軸方向に４００ｋｇｆ／ｍ２の加重を与えることでデータを取得してきた。この加重が安定した結果を得るのに妥当な加重であるかを調べた。図７は、ヒータ温度が飽和温度８０℃における熱放射エネルギーの加重依存をプロットした図である。
【００３３】
図から分かるように、１７０ｋｇｆ／ｍ２以上の加重を与えることで、熱放射エネルギーが一定になることが分かる。これはアルミナヒートシンク３１とヒータ間熱抵抗の低減が熱放射エネルギー量に影響することを示す。概ね１０％程度の放熱量低減を許容範囲とすると８５ｋｇｆ／ｍ２以上の加重が有効な加重といえる。なお、熱抵抗はアルミナヒートシンク３１とレジスタンスヒータ３２または半導体集積回路空隙により発生していると考えられる。このため、アルミナヒートシンク３１と半導体集積回路またはレジスタンスヒータ３２間に、空隙を埋める粘性物質（シリコングリス、導電性グリス等）を塗布することで、加重無しに８５ｋｇｆ／ｍ２程度の放熱量を得ることができる。改善にはこれらのノウハウを踏襲する必要がある。
【００３４】
また、図５、図６で用いたアルミナヒートシンク３１の厚み（５ｍｍ）が適当であるかについても検討した。ここでは、飽和温度８０℃における、１００ｍｍ×１００ｍｍのアルミナヒートシンク３１Ｃと５０ｍｍ×５０ｍｍのアルミナヒートシンク３１Ａについて、それぞれの厚みを変えた場合に熱放射が可能なエネルギーを調べた。実験方法は図６と同じである。結果を図８に示す。図からわかるように、どちらのアルミナ板も板厚３ｍｍ〜８ｍｍにおいて熱放射の効率が良いことがわかる。従来、任意の飽和温度における、放射可能なエネルギーを検討する場合、ステファンボルツマンの式に従い、面積で検討することが常識であった。ところが、厚みの依存性があることが新たに分かった。
【００３５】
このメカニズムの詳細は不明だが、以下のように推測する。まず、アルミナの主成分の分子の数が多いほど、放射可能な量が増えると推察する。これは放射可能なエネルギーが面積に依存性を示すことからも推測可能である。図８の傾向から、厚み方向に分子数が増えた場合は、熱源に近い部分から発生した赤外光が、遠い部分に向かって通過する際、なんらかの吸収、反射によって、通過量が抑制される。これにより、放射可能なエネルギー適した厚みが発生すると考える。従って、図５、６の実験において、放熱量を増やすのに適した厚みである５ｍｍを用いるのことは、偶然であったが妥当と考える。なお、図４において、２ｍｍ厚のアルミナヒートシンクにおいて、レジスタンスヒータに５Ｗ印加時に６６℃程度の飽和温度を得るという、高い熱の放射能力が示されているが、これは、レジスタンスヒータ自身が、図６，７と違うものであること、またレジスタンスヒータとアルミナヒートシンクが同じサイズであり、熱抵抗が小さいことによることと考える。厚みを５ｍｍ程度にすることでさらに良い結果が得られると考える。
【００３６】
さらに放射能力を２０Ｗ／１００００ｍｍ２程度まで上げるために、図６におけるＢのアルミナヒートシンク３１Ｂ（７５ｍｍ（Ｘ）×７５ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ））に関して、レジスタンスヒータ表面、アルミナヒートシンク３１Ｂの中心、アルミナヒートシンク３１Ｂのヒートシンク端の温度を調べた。結果を図９に示す。
【００３７】
アルミナヒートシンク３１Ｂの中心の温度は、レジスタンスヒータ表面と同じ８０℃であるが、アルミナヒートシンク３１Ｂのヒートシンク端の温度は７℃低い７３℃であった。本発明者は、アルミナヒートシンク３１Ｂの端における熱伝導を改善することで、さらなる放熱性能向上ができると考え、アルミナヒートシンク３１ＢとＣＰＵなどの半導体集積回路に見立てたヒータ間に熱伝導の良い伝熱用金属板（アルミ板）を挟むことを試みた。伝熱用金属板（アルミ板）の上面から見たサイズは、半導体集積回路に見立てたヒータよりも大きく、アルミナヒートシンク３１Ｂと同じサイズである。結果を図１０に示す。加重は、これまでと同じく４００ｋｇｆ／ｍ２の加重がかけられた。
【００３８】
図９と同様に、ヒータ表面の温度と、アルミナヒートシンク３１Ｂの中心の温度は８０℃であった。また、図８と違う点は、アルミナヒートシンク３１Ｂヒートシンク端の温度が８０℃であることと、熱放出エネルギーが１５．１Ｗまで上昇したことである。同等の結果が他の金属板（ステンレス鋼、銅材）でも確認された。
【００３９】
図１０に示す構造における飽和温度８０℃における熱放出エネルギーの面積依存性を調べた。結果を図１１に示す。
【００４０】
図１１のグラフから分かるように、図１０に示すようにアルミナ平板とヒータの間に伝熱用金属板を入れることでアルミナヒートシンク３１Ｂからの放熱エネルギーを約２倍程度増加させることができた。図９、図１０のアルミナヒートシンク３１Ｂのヒートシンク端における数度の温度差でこれだけの増加がある理由は不明だが、熱伝導性が良い金属板を挟むことによりヒータの熱が効率的に金属板の周辺部に伝わり、更にアルミナヒートシンク３１Ｂの周辺部から効率的に熱放射することできるものと思われる。結果的に大きな放熱効果を得ることができた。以上から当初の目的である２０Ｗ／１００００ｍｍ２程度の放出能力を有する平板ヒートシンクを実現できた。また、図９のような金属板を用いない構造でも、１０Ｗ程度の放出能力が得られていることから、必要能力とコストによって使い分ける技術を確立できた。
【００４１】
現在、熱設計出力１０Ｗ程度の半導体集積回路を用いる場合、４５ｍｍ（Ｘ）×４５ｍｍ（Ｙ）×４５ｍｍ（Ｚ）サイズの空冷フィン型ヒートシンクが用いられているが、図１１から面積２０００ｍｍ２程度（４５ｍｍ（Ｘ）×４５ｍｍ（Ｙ）×５ｍｍ（Ｚ）程度の）アルミナヒートシンクと代替が可能であると予想できる。
【００４２】
そこで、４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンクと熱設計出力８ＷのＣＰＵ（コア部分が露出しており、コア部分の面積が５０ｍｍ２程度）とが用いられている小型デスクトップ型コンピュータにおいて、ＣＰＵに６０分間１００％の負荷をかけ、図１０に示すように４５ｍｍ×４５ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク３１Ｄとアルミ板とを重ねて載置して用いた（ＣＰＵに熱伝導用アルミ板を重ね更にその上にアルミナ平板ヒートシンク３１Ｄを重ねて用いた。以下の各実施例でも同様の順序で載置した）場合と比較した。密閉容器内の風速は、０．０５ｍ／ｓｅｃである。密閉容器の樹脂壁面とアルミナ平板ヒートシンク３１Ｄの表面との間隔を、１０ｍｍとした。その結果、ほぼ同等の性能（ＣＰＵの表面温度は５０℃：許容温度である９０℃以下）であることが分かった。これは、放射率０．９７のアルミナ平板ヒートシンク３１Ｄをもちいているが、放射率０．８０のアルミナ平板ヒートシンクにおいてもＣＰＵ表面温度は６０℃程度であり許容温度以下である。上記説明はＣＰＵのコア部分が露出していることを前提としたが、コアが露出していないタイプのＣＰＵではセラミック等のパッケージ（２００ｍｍ２乃至９００ｍｍ２程度の表面積、つまり１５ｍｍ×１５ｍｍ乃至３０ｍｍ×３０ｍｍ程度）に、このパッケージよりも熱伝導用アルミ板を重ね更にその上にアルミナ平板ヒートシンク３１Ｄを重ねて用いる（以下の各実施例において、アルミナ平板ヒートシンク３１Ｄの代わりにアルミナ平板ヒートシンク３１Ａ又はアルミナ平板ヒートシンク３１Ｃを用いる場合がある点を除いて同じ）。
【００４３】
また、アルミナ平板ヒートシンク３１Ｄが露出する最も広い面と対向する密閉容器の樹脂壁面との間隔を、０ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍとしているが、ＣＰＵの表面温度は５０℃〜６０℃であり動作に影響はなかった。この際の樹脂壁面の温度は、３０〜３５℃であった。この樹脂壁面の温度は樹脂壁面に人の皮膚が接触しても火傷などに至ることはない温度である。
【００４４】
また、アルミナ平板ヒートシンク３１Ｄが露出する最も広い面と対向する密閉容器の金属壁面（黒色塗装）との間隔を、１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍとしたが、ＣＰＵの表面温度は５０℃〜６０℃であり動作に影響はなかった。この際の樹脂温度は、３５〜４０℃であった。火傷などにいたることはなかった。
【００４５】
なお、このＣＰＵには、同系列に４Ｗのラインアップがありこちらは個人向け携帯機器であるネットブック（商標）に搭載されている。８Ｗ品も搭載要求があるが、放熱が難しく、小型デスクトップにしか適用されていない。本発明により、ヒートシンク容積を低減することが可能であり、個人向け携帯機器への適用が可能となった。以上で集積回路とアルミナヒートシンクとの組み合わせによる放射冷却性能についての説明を終わる。
【００４６】
次に上記アルミナヒートシンクを取りつけたＣＰＵを実際の実装形態に近い状況で稼働させた実施例について説明する。以下の実施例１乃至実施例１６では、ＣＰＵのコア部分が露出しており、コア部分の面積がコア２つ（デュアルコア）で５０ｍｍ２（１０ｍｍ×５ｍｍ）程度であり熱設計出力８ＷのＣＰＵを用いる。実施例１乃至実施例４にかかる実験装置図を図１２に示す。
【００４７】
実施例１
４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンクと熱設計出力８ＷのＣＰＵ１２５が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク１２３（その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク３１Ａと同様である）を、ＣＰＵ基台１２６上のＣＰＵ１２５の上面に接触するように重り１２１と重り支え１２２により４００ｋｇｆ／ｍ２の荷重をアルミナ平板ヒートシンク１２３に加えて載置し、３０分間ＣＰＵ１２５に使用率１００％の負荷を加えて稼働させた。密閉容器１２７内の風速は、０．０５ｍ／ｓｅｃである。アルミナ平板ヒートシンク１２３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１２４の壁面との間隔が１０ｍｍとした。風速は０．０５ｍ／ｓｅｃ以下である。その際のアルミナヒートシンク平板１２３の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク１２３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。樹脂板１２４の壁面温度は３０℃程度であった。なお、図１２において樹脂板１２４には重り支え１２２の脚を通すための４つの穴があり、穴の２つが側面から見た断面図に書かれている。そのため図１２では樹脂板１２４が３つの部分に分かれているように示されている。以下の他の図（図１３の金属板１３４、図１４の樹脂板１４５、図１５の金属板１５５、図１６の樹脂板１６５）でも同様である。
【００４８】
実施例２
実施例１において、アルミナ平板ヒートシンク１２３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１２４の壁面との間隔を５ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１２３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。樹脂板１２４の壁面温度は３０℃程度であった。
【００４９】
実施例３
実施例１において、アルミナ平板ヒートシンク１２３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１２４の壁面との間隔を０ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１２３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。樹脂板１２４の壁面温度は３５℃程度であった。
【００５０】
実施例４
実施例１において、風速を０．０５〜３．０ｍ／ｓｅｃの範囲で実験したが、各温度は０〜３℃程度の変化しかなかった。
【００５１】
次に実施例５〜７にかかる実験装置図を図１３に示す。
実施例５
４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンク熱設計出力８ＷのＣＰＵ１３５が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク１３３（その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク３１Ａと同様である）をＣＰＵ基台１３６上のＣＰＵ１３５に接触するように重り１３１と重り支え１３２により４００ｋｇｆ／ｍ２の荷重を加えて設置し、３０分間ＣＰＵ１３５の使用率１００％の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク１３３が露出する最も広い面と対向する金属板１３４の壁面との間隔を１０ｍｍとした。風速は０．０５ｍ／ｓｅｃ以下である。金属板１３４のアルミナ平板ヒートシンク１３３との対向面にはつや消し黒色の塗装を施した。その際のアルミナ平板ヒートシンク１３３の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク１３３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。金属板１３４の壁面温度は３０℃程度であった。
【００５２】
実施例６
実施例５において、アルミナ平板ヒートシンク１３３が露出する最も広い面と対向する金属板１３４の壁面との間隔を５ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１３３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。金属板１３４の壁面温度は３５℃程度であった。
【００５３】
実施例７
実施例５において、アルミナ平板ヒートシンク１３３が露出する最も広い面と対向する金属板１３４の壁面との間隔が０ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１３３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。金属板１３４の壁面温度は４０℃程度であった。
【００５４】
次に実施例８〜１０にかかる実験装置図を図１４に示す。
実施例８
４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンク熱設計出力８ＷのＣＰＵ１４６が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、４５ｍｍ×４５ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク１４３（その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク３１Ｄと同様である）とアルミナ平板ヒートシンク１４３と略同寸法（但し厚みは１ｍｍ乃至５ｍｍ）のアルミ板１４４とを図に示す順に重ね、ＣＰＵ基台１４７上のＣＰＵ１４６の上面に接触するように重り１４１と重り支え１４２により４００ｋｇｆ／ｍ２の荷重を加えて設置し、３０分間ＣＰＵ１４６の使用率１００％の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク１４３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１４５の壁面との間隔を１０ｍｍとした。図１４においてアルミ板（伝熱用金属板）１４４の下面の面積はＣＰＵ１４６の上面のコア部分の面積よりも大きく、アルミ板１４４の上面の面積はアルミナ平板ヒートシンク１４３の下面の面積と略同一である。又ＣＰＵ１４６の上面がアルミ板（伝熱用金属板）１４４の下面の中心部で接触している必要はなく、アルミ板（伝熱用金属板）１４４の片方に偏って接触しても良く、以下のアルミ板（伝熱用金属板）を用いる他の実施例でも同様である。風速は０．０５ｍ／ｓｅｃ以下である。その際のアルミナ平板ヒートシンク１４３の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク１４３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の５０〜６０℃であった。樹脂板１４５の壁面温度は３０℃程度であった。
【００５５】
実施例９
実施例７において、アルミナ平板ヒートシンク１４３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１４５の壁面との間隔を５ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１４３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の５０〜６０℃であった。樹脂板１４５の壁面温度は３５℃程度であった。
【００５６】
実施例１０
実施例７において、アルミナ平板ヒートシンク１４３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１４５の壁面との間隔を０ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１４３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の５０〜６０℃であった。樹脂板１４５の壁面温度は４０℃程度であった。
【００５７】
次に実施例１１〜１３にかかる実験装置図を図１５に示す。
実施例１１
４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンク熱設計出力８ＷのＣＰＵ１５６が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、４５ｍｍ×４５ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク１５３（その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク３１Ｄと同様である）とアルミナ平板ヒートシンク１５３と略同寸法（但し厚みは１ｍｍ乃至５ｍｍ）のアルミ板（伝熱用金属板）１５４とを図に示す順に重ね、ＣＰＵ基台１５７上のＣＰＵ１５６の上面に接触するように重り１５１と重り支え１５２により４００ｋｇｆ／ｍの荷重を加えて設置し、３０分間ＣＰＵ１５６の使用率１００％の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク１５３が露出する最も広い面と対向する金属板１５５の壁面との間隔を１０ｍｍとした。図１５においてアルミ板１５４の下面の面積はＣＰＵ１５６のコア部分の面積よりも大きく、アルミ板１５４の上面の面積はアルミナ平板ヒートシンク１５３の下面の面積と略同一である。風速は０．０５ｍ／ｓｅｃ以下である。密閉容器内の風量は、０．０５ｍ／ｓｅｃである。金属板１５５のアルミナ平板ヒートシンク１５３との対向面にはつや消し黒色の塗装を施した。その際のアルミナ平板ヒートシンク１５３の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク１５３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の５０〜６０℃であった。金属板１５５の壁面温度は３０℃程度であった。
【００５８】
実施例１２
実施例１０において、アルミナ平板ヒートシンク１５３が露出する最も広い面と対向する金属板１５５の壁面との間隔を５ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１５３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の５０〜６０℃であった。金属板１５５の壁面温度は３５℃程度であった。
【００５９】
実施例１３
実施例１１において、アルミナ平板ヒートシンク１５３が露出する最も広い面と対向する金属板１５５の壁面との間隔を０ｍｍとした。アルミナ平板ヒートシンク１５３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の７０〜８０℃であった。金属板１５５の壁面温度は４０℃程度であった。
【００６０】
次に実施例１４にかかる実験装置図を図１６に示す。
【００６１】
実施例１４
４５ｍｍ×４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの空冷フィン型ヒートシンク＋電動ファンを積載する熱設計出力２０ＷのＣＰＵ１６６が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンク＋電動ファンをはずし、１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍのアルミナ平板ヒートシンク１６３（その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク３１Ｃと同様である）とアルミナ平板ヒートシンク１６３と略同寸法（但し厚みは１ｍｍ乃至５ｍｍ）のアルミ板（伝熱用金属板）１６４とを図に示す順に重ね、ＣＰＵ基台１６７上のＣＰＵ１６６の上面に接触するように重り１６１と重り支え１６２により４００ｋｇｆ／ｍ２の荷重を加えて設置し、３０分間ＣＰＵ１６６の使用率１００％の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク１６３が露出する最も広い面と対向する樹脂板１６５の壁面との間隔を１０ｍｍとした。図１６においてアルミ板１６４の下面の面積はＣＰＵ１６６のコア部分の面積よりも大きく、アルミ板１６４の上面の面積はアルミナ平板ヒートシンク１６３の下面の面積と略同一である。風速は０．０５ｍ／ｓｅｃ以下である。その際のアルミナ平板ヒートシンク１６３の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク１６３の飽和温度は許容限界温度の８５℃以下の６０〜７０℃であった。樹脂板１６５の壁面温度は３０℃程度であった。以上で各実施例の説明を終わる。
【００６２】
以上説明したように、本発明の冷却装置によれば、高発熱の半導体デバイスに該半導体デバイスよりも面積の大きな導熱用金属板とアルミナヒートシンクとを密着させているので熱放射により高効率な冷却が可能であり、特に樹脂製筺体や金属製筺体に半導体デバイスを封入する小型電子機器に使用した場合にこれら樹脂製筺体や金属製筺体を通して効率的に放熱でき、かつ冷却ファンが不要で高さ方向の小さく、冷却フィンもなく冷却用の電力が不要な非常に好適な冷却装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１１ アルミナ材平板
１２ 半導体集積回路とパッケージ
３１ アルミナヒートシンク
３２ レジスタンスヒータ
１２１ 重り
１２２ 重り支え
１２３ アルミナ平板ヒートシンク
１２４ 樹脂板
１２５ ＣＰＵ
１２６ ＣＰＵ基台
１２７ 密閉容器
１３１ 重り
１３２ 重り支え
１３３ アルミナ平板ヒートシンク
１３４ 金属板
１３５ ＣＰＵ
１３６ ＣＰＵ基台
１３７ 密閉容器
１４１ 重り
１４２ 重り支え
１４３ アルミナ平板ヒートシンク
１４４ アルミ板（伝熱用金属板）
１４５ 樹脂板
１４６ ＣＰＵ
１４７ ＣＰＵ基台
１４８ 密閉容器
１５１ 重り
１５２ 重り支え
１５３ アルミナ平板ヒートシンク
１５４ アルミ板（伝熱用金属板）
１５５ 金属板
１５６ ＣＰＵ
１５７ ＣＰＵ基台
１５８ 密閉容器
１６１ 重り
１６２ 重り支え
１６３ アルミナ平板ヒートシンク
１６４ アルミ板（伝熱用金属板）
１６５ 樹脂板
１６６ ＣＰＵ
１６７ ＣＰＵ基台
１６８ 密閉容器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路のコア又はパッケージの表面に載置する伝熱用金属板と、前記伝熱用金属板に更に載置する放射冷却用の放射率０．８以上のアルミナ材を主成分とするアルミナ板とから構成される冷却装置であり、
前記伝熱用金属板の面積及び前記アルミナ板の面積が、前記コア又はパッケージの表面の面積よりも大きいことを特徴とする半導体集積回路の冷却装置。
【請求項２】
前記アルミナ板をコア又はパッケージ表面に載置した状態で前記アルミナ板に８５ｋｇｆ／ｍ２以上の荷重を加えて使用することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記半導体集積回路と前記伝熱用金属板と前記アルミナ板とは、複数の壁により構成された筺体に収容され、
前記筺体の壁面と前記アルミナ板の最も広い面である上面と対向する前記筺体の壁面との間隔が０ｍｍ乃至１０ｍｍであり、
前記アルミナ板は、前記対向する前記筺体の壁面を通して外部に熱放射することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷却装置。
【請求項４】
前記筺体の壁面は金属又は樹脂により構成されることを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
【請求項５】
前記アルミナ板の厚さが３ｍｍ乃至８ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記半導体集積回路の熱設計電力が１０Ｗ以下の場合に、前記アルミナ板の最も広い面の面積が１００００ｍｍ２以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１に記載の冷却装置。
【請求項１】
半導体集積回路のコア又はパッケージの表面に載置する伝熱用金属板と、前記伝熱用金属板に更に載置する放射冷却用の放射率０．８以上のアルミナ材を主成分とするアルミナ板とから構成される冷却装置であり、
前記伝熱用金属板の面積及び前記アルミナ板の面積が、前記コア又はパッケージの表面の面積よりも大きいことを特徴とする半導体集積回路の冷却装置。
【請求項２】
前記アルミナ板をコア又はパッケージ表面に載置した状態で前記アルミナ板に８５ｋｇｆ／ｍ２以上の荷重を加えて使用することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記半導体集積回路と前記伝熱用金属板と前記アルミナ板とは、複数の壁により構成された筺体に収容され、
前記筺体の壁面と前記アルミナ板の最も広い面である上面と対向する前記筺体の壁面との間隔が０ｍｍ乃至１０ｍｍであり、
前記アルミナ板は、前記対向する前記筺体の壁面を通して外部に熱放射することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷却装置。
【請求項４】
前記筺体の壁面は金属又は樹脂により構成されることを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
【請求項５】
前記アルミナ板の厚さが３ｍｍ乃至８ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記半導体集積回路の熱設計電力が１０Ｗ以下の場合に、前記アルミナ板の最も広い面の面積が１００００ｍｍ２以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１に記載の冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２５１４３２（Ｐ２０１０−２５１４３２Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９７５０７（Ｐ２００９−９７５０７）
【出願日】平成２１年４月１３日（２００９．４．１３）
【出願人】（３９０００２７６１）キヤノンマーケティングジャパン株式会社 (656)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１３日（２００９．４．１３）
【出願人】（３９０００２７６１）キヤノンマーケティングジャパン株式会社 (656)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]